多环风扇喷气发动机设计方案

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/27 23:18:09
多环涡扇喷气发动机设计方案
上次我发表了《涡扇发动机风扇的改进》,与探讨涡扇发动机风扇的改进问题,非常感谢大家提出的中肯建议,大家从结构,强度,材料,流体力学、工程力学等等方面进行了分析,认为制造难度较大,特别是驱动轴的高速旋转带来未知的可怕问题(右下图),还有那接近发动机外壳直径的环形齿轮和轴承的制造也不太现实,所以有必要对些多环风扇设计进行再改进。
   
经过这一时间的思考,我认为涡扇发动机的风扇可以再改进,这就是多环风扇中的内涵道圆形风扇的内缘某外与外涵道环形风扇的内缘进行联动(上面的可以认为是外缘联动,如中上图),这样环形齿轮及环形轴承的直径也小了,制造容易,同时驱动轴的转数也降下来了,更具有现实性了。
   
风扇内缘的联动(如下图),就是利用同一根传动轴连接外涵道环形风扇内缘叶片根基的环形齿轮圈和内涵道圆形风扇精确计算的某一处环形齿轮圈,传动轴(图中只画一个,可以再适当增加)两端的齿轮与内、外涵道风扇上的齿轮圈咬合联动,这样使内外涵道风扇外缘切线速度相同(或设定的速度比)。
     
内涵道齿轮圈到底在内涵道圆形风扇的哪一处呢?我们可以计算一下,假设R外 =1.5米,r内=0.5米(左下图),切线速度与每级风扇外缘周长有关,根据C=2πr,我们可以直接用半径来计算。
   
R外÷r内=1.5÷0.5=3,我们可以把外涵道环形风扇内缘的半径和内涵道圆形风扇外缘的半径忽略成一样大小,那么要想让外涵道环形风扇外缘的切线速度和内涵道圆形风扇外缘的切线速度基本相同,外涵道环形风扇内缘的切线速度只能是内、外涵道风扇外缘的切线速度的三分之一,所以内涵道圆形风扇上的齿轮圈的位置大约在内涵道圆形风扇半径的三分之一处,即半径大约是0.5÷3≈0.17米。如果总结一个公式的话,内涵道圆形风扇上的驱动齿轮圈的半径:
R 内驱齿圈=(r内÷R外)× r内(内涵风扇半径除以外涵风扇半径再乘以内涵风扇半径)  
或  R内驱齿圈=r内2 ÷R外
     
这种风扇的内涵道圆形风扇套装在涡轮低压气机轴上(如上图),与低压涡轮、低压压气机同步旋转,环形驱动齿轮圈安装在内涵道圆形风扇半径上经过计算的某一处(如上面数据,半径0.17米处),外涵道环形风扇的内缘(叶片根)也安装有一圈环形齿轮(如左下图),传动轴两端齿轮与这两个齿轮圈咬合(如中、右上图和中下图),通过传动轴让外涵道环形风扇的外缘和内涵道圆形风扇的外缘以近乎相同的切线速度旋转。
     
这种传动实际上就相当于一个减速器,外涵道环形风扇虽然半径大,但经过一定减速比让大直径风扇的叶尖切线速度与内涵道圆形风扇外缘或低压压气机的叶尖切线速度基本相同,实现了优化转速的梦想,低压压气机的转速也提高了,而风扇的转速也降低了,提高了各自的效率。
当今世界民用航空大涵道比涡扇发动机是三足鼎立,如美国普惠的齿轮涡扇发动机,通用GE90,英国罗、罗的三转子民用涡扇发动机。说是“三国杀”,实际上就是两国,美国的双拳左右开弓对付英国的孤掌,我总是着急,认为我们的航空工业怎么就生产不出来与列强抗衡的发动机来所以在大家面前班门弄斧,也想和普惠的齿轮涡扇发动机比一比谁更现实。我认为本设计中风扇中心的整流罩可以减小直径,增加了进气量,风扇、压气机和涡轮各自转速互不干扰,减少了压气机及涡轮的级数,促使结构更加简洁,同时,内涵道进气效率的提高,内核机的直径可以进一步减小,进一步加大了发动机的涵道比,减轻重量更加省油。
   
我希望我们能加入“三国杀”,实现“四国杀”(或真正的“三国杀”),让我们的大发动机在世界上有一席之地!
请大家多提意见和建议,以利于改进完善,谢谢!!

多环涡扇喷气发动机设计方案
上次我发表了《涡扇发动机风扇的改进》,与探讨涡扇发动机风扇的改进问题,非常感谢大家提出的中肯建议,大家从结构,强度,材料,流体力学、工程力学等等方面进行了分析,认为制造难度较大,特别是驱动轴的高速旋转带来未知的可怕问题(右下图),还有那接近发动机外壳直径的环形齿轮和轴承的制造也不太现实,所以有必要对些多环风扇设计进行再改进。

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2013-8-27 20:39 上传

   
经过这一时间的思考,我认为涡扇发动机的风扇可以再改进,这就是多环风扇中的内涵道圆形风扇的内缘某外与外涵道环形风扇的内缘进行联动(上面的可以认为是外缘联动,如中上图),这样环形齿轮及环形轴承的直径也小了,制造容易,同时驱动轴的转数也降下来了,更具有现实性了。

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风扇内缘的联动(如下图),就是利用同一根传动轴连接外涵道环形风扇内缘叶片根基的环形齿轮圈和内涵道圆形风扇精确计算的某一处环形齿轮圈,传动轴(图中只画一个,可以再适当增加)两端的齿轮与内、外涵道风扇上的齿轮圈咬合联动,这样使内外涵道风扇外缘切线速度相同(或设定的速度比)。

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内涵道齿轮圈到底在内涵道圆形风扇的哪一处呢?我们可以计算一下,假设R外 =1.5米,r内=0.5米(左下图),切线速度与每级风扇外缘周长有关,根据C=2πr,我们可以直接用半径来计算。

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2013-8-27 20:39 上传

   
R外÷r内=1.5÷0.5=3,我们可以把外涵道环形风扇内缘的半径和内涵道圆形风扇外缘的半径忽略成一样大小,那么要想让外涵道环形风扇外缘的切线速度和内涵道圆形风扇外缘的切线速度基本相同,外涵道环形风扇内缘的切线速度只能是内、外涵道风扇外缘的切线速度的三分之一,所以内涵道圆形风扇上的齿轮圈的位置大约在内涵道圆形风扇半径的三分之一处,即半径大约是0.5÷3≈0.17米。如果总结一个公式的话,内涵道圆形风扇上的驱动齿轮圈的半径:
R 内驱齿圈=(r内÷R外)× r内(内涵风扇半径除以外涵风扇半径再乘以内涵风扇半径)  
或  R内驱齿圈=r内2 ÷R外

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2013-8-27 20:39 上传

     
这种风扇的内涵道圆形风扇套装在涡轮低压气机轴上(如上图),与低压涡轮、低压压气机同步旋转,环形驱动齿轮圈安装在内涵道圆形风扇半径上经过计算的某一处(如上面数据,半径0.17米处),外涵道环形风扇的内缘(叶片根)也安装有一圈环形齿轮(如左下图),传动轴两端齿轮与这两个齿轮圈咬合(如中、右上图和中下图),通过传动轴让外涵道环形风扇的外缘和内涵道圆形风扇的外缘以近乎相同的切线速度旋转。

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2013-8-27 20:40 上传

     
这种传动实际上就相当于一个减速器,外涵道环形风扇虽然半径大,但经过一定减速比让大直径风扇的叶尖切线速度与内涵道圆形风扇外缘或低压压气机的叶尖切线速度基本相同,实现了优化转速的梦想,低压压气机的转速也提高了,而风扇的转速也降低了,提高了各自的效率。
当今世界民用航空大涵道比涡扇发动机是三足鼎立,如美国普惠的齿轮涡扇发动机,通用GE90,英国罗、罗的三转子民用涡扇发动机。说是“三国杀”,实际上就是两国,美国的双拳左右开弓对付英国的孤掌,我总是着急,认为我们的航空工业怎么就生产不出来与列强抗衡的发动机来所以在大家面前班门弄斧,也想和普惠的齿轮涡扇发动机比一比谁更现实。我认为本设计中风扇中心的整流罩可以减小直径,增加了进气量,风扇、压气机和涡轮各自转速互不干扰,减少了压气机及涡轮的级数,促使结构更加简洁,同时,内涵道进气效率的提高,内核机的直径可以进一步减小,进一步加大了发动机的涵道比,减轻重量更加省油。

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2013-8-27 20:40 上传

   
我希望我们能加入“三国杀”,实现“四国杀”(或真正的“三国杀”),让我们的大发动机在世界上有一席之地!
请大家多提意见和建议,以利于改进完善,谢谢!!

感觉太过复杂,可靠性可能成问题-----
太专业了,楼上说的对,航天航空可靠性是第一
可靠性只好去对应用阶段的产品说,这个似乎可以研究一下下。


又是你啊?仁兄。之前你那百叶窗式垂直起降飞机研究得怎么样了?

本不想评,我想问问兄弟,你这样设想的依据在哪?你这样的设计除了增加重量,提高故障率,降低进气效率,降低稳定性之外还有什么作用?

又是你啊?仁兄。之前你那百叶窗式垂直起降飞机研究得怎么样了?

本不想评,我想问问兄弟,你这样设想的依据在哪?你这样的设计除了增加重量,提高故障率,降低进气效率,降低稳定性之外还有什么作用?
好复杂的样子,我只能望洋兴叹,默默支持了。
看费效比,为了增加那么一点推力而搞得这么复杂
riselai 发表于 2013-8-27 21:49
又是你啊?仁兄。之前你那百叶窗式垂直起降飞机研究得怎么样了?

本不想评,我想问问兄弟,你这样设想的 ...
呵呵,老弟,可否交流一下您的研究成果?
蝼蚁撼树 发表于 2013-8-27 22:16
呵呵,老弟,可否交流一下您的研究成果?
我啥研究都没,就一普通打工仔。你就别找上我了。
面积啊面积。。。内外同心的两个圆,外圆与内圆半径比为3:1时(LZ的方案)两圆的面积比为9:1,也就外环的面积是内小圆面积的8倍。
只为了那么1/9的内涵流量却费这么大劲弄个小风扇,相比之下把内环全堵死,外环也不过从3增加到3.162而已。。真的很有必要么
风扇/压气机流量的限制因素是同一截面上的总压必须相同(总压分布均匀)即不存在横截面方向的总压差。。。所以靠近叶根的部分静压实际上是比靠近叶尖的部分静压是高不少的,这就使得这个方案中的内环实际上是在抢外环的流量,反而使得外环工作效率降低(截面间流动)
根据以往在行星轮的经验,最后一图5个齿轮共切齿圈的做法会导致对加工精度很高的要求,并且容易出现受力不均,导致齿圈极易崩齿或开裂,建议只使用三个行星轮(如有需要更多的输出轴齿轮可通过二级齿轮带动),中间太阳轮壁厚加大(不然也很容易破裂)。
难点在什么地方。
楼主,请先考虑一下各个零件的自由度,风扇的支承在哪里?
赞助性围观
外环风扇的轴承在哪里?难道就让它那样靠行星齿轮悬浮着么??行星齿轮机构的外圈同样需要轴承的支撑。
楼主的精神值得表扬  至于您的作品  用拣个芝麻丢了西瓜来比喻 最恰当不过了
不知海风 发表于 2013-8-27 23:25
赞助性围观
我总觉的你的头像抽刀的时候会悲剧~

hedongli321 发表于 2013-8-28 00:07
我总觉的你的头像抽刀的时候会悲剧~
放心好了,刀硬度很好,一般不会卷刃。
grandpos 发表于 2013-8-27 23:54
外环风扇的轴承在哪里?难道就让它那样靠行星齿轮悬浮着么??行星齿轮机构的外圈同样需要轴承的支撑。
噢,外环风扇的轴承是个与环形齿圈差不多的环形轴承,安装在内涵道和外涵道之间的隔层上
yr_linyi 发表于 2013-8-27 22:41
面积啊面积。。。内外同心的两个圆,外圆与内圆半径比为3:1时(LZ的方案)两圆的面积比为9:1,也就外环的 ...
呵呵,如果能提高内涵道进气效率,减少高、低压气机及涡轮的级数,简化核心机的结构增加可靠性,那也是一个方向呀
月靓 发表于 2013-8-28 00:00
楼主的精神值得表扬  至于您的作品  用拣个芝麻丢了西瓜来比喻 最恰当不过了
呵呵,能不能详解一下,我想知道您针对哪个地方,我也好进行再改进呀,谢谢!
clone 发表于 2013-8-27 23:19
楼主,请先考虑一下各个零件的自由度,风扇的支承在哪里?
内涵圆形风扇与低压压气机相连,外涵环形风扇的支撑点在内外涵道隔上,靠一个环形轴承套在内外涵道之间的隔层上自由旋转
riselai 发表于 2013-8-27 22:22
我啥研究都没,就一普通打工仔。你就别找上我了。
呵呵,我们都是航空爱好者,不是万能的科学家,一点点改进吗,大家的言论对我是很有帮助的,谢谢你们!
hedongli321 发表于 2013-8-28 00:07
我总觉的你的头像抽刀的时候会悲剧~
这话说的,只要不勃起就没事
yr_linyi 发表于 2013-8-27 22:41
面积啊面积。。。内外同心的两个圆,外圆与内圆半径比为3:1时(LZ的方案)两圆的面积比为9:1,也就外环的 ...
建议楼主看看啊,内涵流量增加外涵流量的减小似乎是不可避免啊。
风扇叶缘怎么不是直的?
其实我很佩服LZ这种精神,只有搞起来才能发现和解决问题。
BTW:LZ可能对工艺性考虑较少
看起来很复杂的样子。又是环又是齿轮,寿命重量可靠性怎么可能提高?
其实人家的齿轮风扇真的是不错了,三转子做的也不错了现在,都是不错的道路。


你的齿轮轴是浮动的吗?看起来也没有安放固定机构的空间和位置。。。如果运行中遭遇强烈冲击,或者相邻的齿轮轴相遇,一个碎片就会对后面的叶片造成毁灭性打击。。。。
还有,楼主有考虑纯粹的横杠对进气涡流有什么影响吗。。。
看不懂,看起来很复杂的样子,不过很佩服楼主的精神。
楼主有“线速度”的概念吗?
风扇形状好诡异。。转捩点不会有阻力突增么  。。。
还有,齿轮轴的轴向自由度楼主如何保证?
这么窄的接触面,不作有效限制就是作死啊。。。
可以这样,完全不要轴了,内圈外侧与外圈内侧用齿轮反咬,实现外风扇与内风扇的反转,其实,给风扇套个减速齿轮就OK了,不用这么麻烦。
2013-8-28 10:44 上传


第一:楼主的是图一的结构,我先问一下,你A向的自由度怎么控制?从结构上看,这样见缝插针的位置几乎没有安放其它限制结构的空间。如果使用其它结构齿轮比如图二的锥齿轮,甚至使用斜齿轮,别的先不提,涡轮盘上的齿恐怕加工难度会非常坑爹。
第二:齿轮轴的受力如果出现如图一的红色箭头所示,你如何保证这个齿轮轴相对涡轮盘圆心的指向呢?
光靠轮齿齿合,恐怕轮齿间会产生很大的扭向力,你的齿轮轴刚好有齿短轴长的特点,这样结构的长力矩就是一个很好的杠杆,一个齿轮的偏向受力,可以轻而易举的通过长长的力臂扭坏另一个齿合的齿轮,齿轮轴随即脱离齿轮盘,后果恐怕非常严重。
第三:一个轮盘到另一个轮盘的力传导,楼主只靠一个齿轮轴肯定是不行的,你的结构也不允许其它位置空悬,必须采用多个点的布置来完成力传导,假如使用三个齿轮轴,如图三所示,请问楼主如何保证B这个相对位置??换句话说,楼主如何限制这几个齿轮轴的相对位置??如果不限制它们的相对位置,在运行中相遇,相信后果是灾难性的。
铁剑锋 发表于 2013-8-28 10:02
你的齿轮轴是浮动的吗?看起来也没有安放固定机构的空间和位置。。。如果运行中遭遇强烈冲击,或者相邻的齿 ...
驱动齿轮轴当然有固定的支架啦,驱动轴安装在支架的整流罩内,一定开头的整流罩会减轻涡流影响的,应该有解决的办法的,谢谢!
蝼蚁撼树 发表于 2013-8-28 11:38
驱动齿轮轴当然有固定的支架啦,驱动轴安装在支架的整流罩内,一定开头的整流罩会减轻涡流影响的,应该有 ...
相反,看看齿轮两头和前后齿合部件的相对运动情况,我认为你这个支架是无处生根的,我不认为有什么固定支架存在的可能性。
至于我说的涡流影响,指的是跨越叶片工作区的那段光秃秃的轴,我不认为你有办法消除或减轻它对涡流的负面影响。
况且你完全没有考虑齿轮的润滑等其它的必要结构因素,相邻的涡轮盘这样高速相对运动的部件也没有空间去布置这些必要的结构。。。。
总之,很多设想是在细化下去的时候失败的,希望你的设计能更详细严密一些。。。。
蝼蚁撼树 发表于 2013-8-28 05:15
呵呵,如果能提高内涵道进气效率,减少高、低压气机及涡轮的级数,简化核心机的结构增加可靠性,那也是一 ...
要减少压气机的级数,应该上新一代压气机;你设想的方案中,压气机过于复杂。

要简化核心机,应该上新一代燃烧室; 你也没有这方面的考虑。

这两条途径走通了,总体结构已经大幅简化,然后再配上现在比较成熟的齿轮传动,已经非常简洁了,至少比你的方案简洁很多。

具体到内外涵道的设计,10楼的朋友已经将你方案中的缺点说得很到位了,希望认真考虑。 建议认真考虑一下,如何提高燃烧效率,如何提高涵道比,找对正确的方向。

另外,你的多环结构的传动,本质上和齿轮传动还是类似的。 但气动上却要复杂得太多了,方向不对。
谢谢大家的关注,but,never will I give up easily...